高中化學虛擬實驗室提升學生科學探究能力的策略研究

摘" 要：為探討高中化學虛擬實驗室提升學生科學探究能力的策略，文章首先介紹了高中化學虛擬實驗室的基本內涵，指出了其在模擬實驗環境、提供安全互動學習、節約資源等方面的優勢。其次，分析了虛擬實驗在化學教學中的應用優勢，包括節約資源、提高安全性和培養自主學習能力。再次指出了虛擬實驗中存在的學習曲線、缺乏真實感等制約因素。最后提出了借助小組合作、結合實地實驗和虛擬實驗以及激發學生自主探究能力等途徑，以提升學生的科學探究能力，旨在為教學實踐提供有益的參考和指導。

關鍵詞：高中化學;虛擬實驗;科學實踐;路徑探究

高中化學學科本身具有探究性與實驗性，這種特性促使實驗教學活動成為培養學生科學探究能力的理想舞臺。但是學生在學習化學課程時，難免會因為學習基礎或學習思維等因素，導致學習出現各種各樣的困難，造成學生學習興趣不高。當代教育越來越重視實踐性和體驗性，尤其是化學教育。隨著科技的飛速發展，虛擬實驗室已成為傳統教學的重要補充，高中化學虛擬實驗室作為現代科學教學的重要工具，為學生提供了一個安全、可控的實驗環境，讓學生在沒有實驗條件下的情況下也可以進行科學探究和學習。本文將聚焦高中化學領域，通過比較傳統實驗和虛擬實驗的優劣勢，探討虛擬實驗室如何有效地促進學生的科學探究。

一、虛擬實驗在高中化學教學中的應用優勢

實驗教學是高中化學教學體系中最為基礎的教學內容，對培養學生科學探究能力而言，具有一定的推動價值。為了深化學生的科學素養，教師在開展高中化學實驗教學時，需要引導學生開展自主實踐，親身驗證所學化學理論與原理，以增強學生的科學探究能力。虛擬實驗作為一種新興的教學輔助手段，具備多方面的優勢，特別是在資源節約、安全性以及培養學生的自主學習能力方面。

（一）有利于節約設備資源

傳統的化學實驗通常需要大量的實驗器材、化學藥品以及安全設施，這對學校和教育機構的資源投入提出了較高的要求。虛擬實驗室通過模擬真實的實驗過程，將實驗環境數字化呈現，可以顯著減少對物質和設備的需求。另外，虛擬實驗室還避免了許多實驗所需的昂貴設備和易耗品的需求。這包括實驗室常用的玻璃器皿、化學試劑和實驗儀器等。學校不再需要頻繁購買這些物品，節省了大量經費，使得教育資源可以更加合理地分配到其他方面，例如提升師資力量、購買其他教學輔助設備等。長期來看，使用虛擬實驗室可以替代多種實驗所需的試劑和設備，不僅可以減輕學校的經濟負擔，還可以讓更多學生獲得高質量的實驗教育。

（二）有利于提高實驗的安全性

虛擬實驗在高中化學教學中具備顯著的安全性優勢。傳統的化學實驗可能涉及使用有毒、易燃或腐蝕性的化學物質，同時需要復雜的實驗操作，這些因素都增加了學生和教師在實驗室中面臨的安全風險。虛擬實驗通過數字化模擬實驗過程，極大地降低了這些潛在風險。一方面，虛擬實驗避免了直接接觸危險化學物質的需求，減少了學生接觸有害物質的機會。這樣可以有效地避免因操作失誤導致的傷害，保障學生的安全。另一方面，虛擬實驗提供了一個安全的實驗環境，減少了實驗中可能發生的意外情況。學生可以在虛擬場景下進行操作和實驗，即便出現錯誤也不會對自身和周圍環境造成實質性危險，這有助于培養學生正確處理化學實驗的態度和技能。

（三）有利于培養學生的自主學習能力

高中化學實驗不僅是為了傳授知識，還要為學生提供自主實踐的機會。虛擬實驗通過互動性和實時性，激發了學生的參與熱情，讓他們更積極地參與實驗過程。在模擬實驗的環境下，學生能夠自主探索化學現象背后的原理和規律，有助于培養他們的觀察、思考和解決問題的能力。化學虛擬實驗室的出現，構建了一個充滿平等、生動性、共享式的學習環境，潛移默化地引導學生自主參與實驗，深入探究化學知識，顯著提升其科學探究力，為學生化學綜合素養的全面發展奠定了堅實基礎。此外，這種自主學習模式顯著增強了學生對化學知識的吸收與理解，通過引入虛擬實驗平臺，能夠激發學生對化學的學習興趣，讓學生在自主探究的過程中養成嚴謹科學的學習態度，促進學生學科核心素養與實踐能力的全面提升。

總而言之，虛擬實驗在高中化學教學中的應用不僅節約了資源，提高了安全性，還有助于培養學生的自主學習能力。這種創新的教學手段為學生提供了更廣闊的學習空間，降低了實驗成本，同時創造了更安全、更具有互動性的學習環境。通過虛擬實驗，學生能夠在更自主、更安全的環境下探索科學世界，從而更好地掌握和應用化學知識。

二、虛擬實驗中提升學生科學探究能力的制約因素

（一）虛擬實驗受到學習曲線和指導需求的限制

虛擬實驗室在高中化學教學中是一種新穎的教學手段，然而，學習曲線和指導需求是其中一個重要的制約因素。學生對虛擬實驗室的操作可能需要一定的時間和指導，特別是對那些不熟悉技術操作的學生而言。有些學生可能對技術工具的使用不夠熟練，需要額外的時間來適應虛擬實驗的操作界面和功能。這可能導致教學過程中出現學生參與度不高、學習效率下降的情況。針對虛擬實驗，學生可能需要更多的指導和解釋，以幫助他們理解實驗過程背后的化學原理。教師需要投入更多的時間來解答學生關于虛擬實驗的疑問，指導操作和解釋實驗原理。這可能對教師的工作量提出了更高的要求，需要他們具備更強的技術支持和教學能力，以便有效地引導學生完成虛擬實驗，并確保他們對實驗背后的化學概念有深入的理解。

（二）虛擬實驗缺乏真實感和互動性

盡管虛擬實驗模擬了實驗過程，但無法完全替代真實實驗室的親身體驗。學生在虛擬實驗中無法感受到真實實驗中的觸感、氣味等感官刺激，這限制了他們對化學實驗的全面體驗。例如，在實驗室中，學生可以親自操作器材，觀察物質的顏色、質地變化，而虛擬實驗無法提供這種真實感。而這種親身體驗對理解化學原理和培養實驗技能至關重要。此外，虛擬實驗也限制了學生的互動性和實踐經驗積累。在真實的實驗室中，學生可以進行合作，分享觀察和實驗結果，這有助于學生之間的交流和思維碰撞。然而，在虛擬實驗中，這種互動可能受到限制，難以達到與同伴和教師間真實的交流互動水平。同時，親身操作實驗器材和化學物品是培養實踐經驗的關鍵，但虛擬實驗無法提供這種實踐機會，從而影響學生對實驗技能的培養和積累。因此，盡管虛擬實驗在某些方面提供了便利和模擬實驗的部分體驗，但它仍然無法取代真實實驗室所帶來的親身體驗和實踐經驗積累。

三、高中化學虛擬實驗室提升學生科學探究能力的途徑

（一）借助小組合作和導向教學的方式，提升學生的自我學習能力

小組合作實驗是提升學生在高中化學虛擬實驗室中實操理解能力的重要方法之一。教師可以通過組建小組，讓學生共同完成虛擬實驗任務。在小組中，教師可以將實驗任務分解成不同步驟，讓每位學生負責其中的一部分，并在小組內共同討論、協作完成整個實驗過程。這種合作模式可以激發學生的互助精神和團隊合作能力。例如，學生A負責實驗操作，學生B觀察實驗現象，學生C記錄數據，然后他們共同分析和討論實驗結果，共同得出結論。這種合作模式不僅增強了學生的實操能力，還促進了他們之間的交流和協作，提升了對化學實驗原理的理解。

同時，通過學生導向式的教學方式，教師可以充當引導者的角色，鼓勵學生自主探究和解決問題。例如，在虛擬實驗中，教師可以提出一個開放性的問題，鼓勵學生通過實驗操作和觀察，自主探究并找到答案。這種方式可以激發學生的自主性和探究欲望，讓他們更深入地理解化學現象和實驗原理，從而增強實操理解能力。此外，教師可以通過建立在線合作學習平臺，破除虛擬實驗受到學習曲線和指導需求限制的弊端。通過這樣的平臺，學生可以分享經驗、討論問題，并相互提供解決方案。這種交流平臺為學生提供了一個開放的環境，讓他們能夠在互聯網上隨時交流和學習。

（二）模擬實驗與實地實驗相結合，提升實操的交互性

教師可以將模擬實驗與實地實驗相結合，在虛擬實驗中預先展示實驗步驟和化學原理，然后在實地實驗中加強學生的實操能力。例如，在虛擬實驗中，學生可以模擬實驗的步驟、操作和觀察，理解實驗原理。隨后，在實地實驗中，學生可以重復虛擬實驗的步驟，進行實際操作，觀察真實的化學現象，從而加深對化學知識的理解。這種方式可以彌補虛擬實驗無法提供的真實觸感和實操經驗，讓學生在虛擬實驗中先行了解，再在實地實驗中鞏固，可以提高學生對實驗過程的真實感知和參與度，同時拓展其實踐經驗和化學探究能力。

針對高中化學虛擬實驗室缺乏真實感和互動性的限制，現代科技方式如虛擬現實（VR）或增強現實（AR）技術提供了一定的彌補措施。通過采用VR或AR技術，學生可以獲得更具沉浸感的實驗體驗。虛擬實驗室可以模擬真實實驗室的環境，讓學生仿佛置身其中。例如，利用VR技術，學生可以通過頭戴式顯示器進入虛擬實驗室，感受到逼真的實驗操作和環境，如拿取試劑、攪拌溶液等，這些互動動作能夠模擬真實實驗的操作感，從而彌補缺乏觸感、氣味等感官刺激的不足。此外，沉浸式體驗也可通過模擬實驗過程中的聲音、光線變化以及物質反應產生的視覺效果，增加學生對化學現象的直觀感知，使其更加身臨其境地參與實驗，從而提升實驗的真實感和互動性。

（三）創設生活情境，激發學生的自主探究能力

化學學科的知識技能是人類認識世界、探索自然的重要工具，與學生的日常生活聯系緊密。學生平日見到的許多現象都可以利用化學原理進行解釋，同時巧妙地利用化學知識也可以解決生活中的許多困難。因此，在高中化學的教學過程中，教師可以聯系生活創設情景，用那些生活中較為常見但原理還并未被大多數人知曉的現象來吸引學生的注意力，引發學生的思考和探索，從而讓學生對化學產生興趣。

高中化學包含了大量的實驗教學內容，很多實驗操作也是學生必須要掌握的技能，這是一個鍛煉學生動手能力以及培養學生自主探究能力的好機會。教師可以先在課堂上進行實驗演示，通過讓學生觀察奇妙的化學實驗現象，產生進一步探究的興趣，然后組織學生開始實驗學習過程，在有趣的實驗操作中鍛煉自己的技能。教師也可以設計一些有趣的實驗探究活動，將學生分為各個學習小組，以小組為單位去完成這些探究活動，讓學生通過自己的努力和小組合作共同突破學習難點。比如，在講授化學反應與電能這節課時，教師可以為學生演示一些有趣的水果電池實驗，然后以小組為單位，鼓勵學生發掘生活物品制作原電池。通過這種方法，學生不僅可以鍛煉和提升實驗操作技能，還可以掌握一定的自我學習技能和合作技能。

四、結語

高中化學虛擬實驗的靈活應用，能夠激發學生的想象力和創造力，也可以為高中化學課堂教學質量的提升提供必要保障，讓學生在教學過程中跟上教師的節奏，體現了化學實驗教學的合理性和可行性，成為教師教學策略的重要參考。通過結合現代科技、創新教學方式以及學生自主學習，教師有機會培養出更具實踐能力和科學探究精神的學生。這不僅是對傳統實驗教學的補充，更是對學生自主學習、團隊合作和科學素養全面發展的有益嘗試。雖然虛擬實驗存在一些限制，但通過不斷探索、創新和結合多種教學方式，教師可以克服這些挑戰，為學生提供更優質、更安全、更具有實踐性的化學學習體驗。

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（責任編輯：孫曉林）

* 本文系2023年度福建省電化教育館教育信息技術研究課題“基于矩道虛擬實驗室助力區域化學課堂教學的應用研究”（課題編號：KT23048）;2023年泉州市教育信息技術研究課題“基于矩道虛擬實驗室的化學教與學應用研究”（課題編號：QZDJKT2341）研究成果。